JP5332130B2 - Fuel cell stack structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack structure capable of shortening a starting time and achieving compactness while improving the utilization efficiency of a reforming temperature and the uniformity of the whole temperature distribution. <P>SOLUTION: The fuel cell stack structure is constituted by laminating at a center a plurality of solid electrolyte fuel cell units 1 which have circular cell plates 2 that hold unit cells and have gas inlet holes 21 and gas exhaust holes 22 at the center, a circular separator plate 3 that has a gas inlet hole 31 and a gas exhaust hole 32 at the center and is jointed to the cell plate 2, and a center passage component 5 which is located between each center of both plates 2, 3 and carries out the supply and discharge of a fuel gas in the space through a gas inlet passage 51 communicating with the gas inlet holes 21, 31 and a gas exhaust passage 52 communicating with the gas exhaust holes 22, 32. The space between the adjoining solid electrolyte fuel cell units 1 is made to be an air passage and a porous body 20 is installed in the gas inlet passage 51A which is formed by the continuation of each gas inlet passage 51 of the center passage component 5. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池セルを複数積層して成る燃料電池スタック構造体に関するものである。     The present invention relates to a fuel cell stack structure formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells.

上記したような燃料電池スタック構造体において、自動車に搭載する場合には、起動時間が短かく、且つ、小型であることが求められる。   When the fuel cell stack structure as described above is mounted on an automobile, it is required to have a short start-up time and a small size.

従来において、これらの要求に答えるものとして成された燃料電池スタック構造体としては、例えば、複数積層したセルと、これらのセルの積層方向に沿い且つセルの外側に位置してセル間にガスを供給するガス流路を備え、このガス流路に触媒を設けてその密度を積層方向に変化させた構成を成すものがある(特許文献1参照)。   Conventionally, as a fuel cell stack structure configured to meet these requirements, for example, a plurality of stacked cells and gas between the cells positioned along the stacking direction of these cells and outside the cells are used. Some gas flow paths are provided, and a catalyst is provided in the gas flow path to change the density in the stacking direction (see Patent Document 1).

また、この燃料電池スタック構造体とは別の燃料電池スタック構造体として、例えば、ガス流路を内部に有するセパレータとセルとを交互に複数積層して成り、ガス流路内に改質触媒を担持した多孔質体を配置した構成を成すものがある(特許文献2参照)。
特開平5−129032号公報 特開2004−227849号公報
Further, as a fuel cell stack structure different from this fuel cell stack structure, for example, a plurality of separators and cells having gas flow paths therein are alternately stacked, and a reforming catalyst is provided in the gas flow paths. Some have a configuration in which a supported porous body is disposed (see Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 5-129032 JP 2004-227849 A

上記した燃料電池スタック構造体において、前者の燃料電池スタック構造体の場合、ガス流路に設けた触媒の密度を積層方向に変化させるようにしているので、燃料ガスの流量の均一化が図られ、燃料ガスを良好に改質することができるものの、積層方向に沿うガス流路がセルの外側に設置されているため、改質熱の利用効率が悪いという問題がある。   In the fuel cell stack structure described above, in the former fuel cell stack structure, the density of the catalyst provided in the gas flow path is changed in the stacking direction, so that the flow rate of the fuel gas can be made uniform. Although the fuel gas can be satisfactorily reformed, there is a problem that the utilization efficiency of reforming heat is poor because the gas flow path along the stacking direction is installed outside the cell.

一方、後者の燃料電池スタック構造体の場合、セパレータのガス流路内に改質触媒を担持した多孔質体を配置しているので、触媒の劣化の度合いが各段毎に違うと、セルに供給されるガスの成分が各段毎に異なってしまうこととなり、その結果、全体の温度の不均一が生じてしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。   On the other hand, in the case of the latter fuel cell stack structure, since the porous body carrying the reforming catalyst is disposed in the gas flow path of the separator, if the degree of catalyst deterioration differs for each stage, The components of the gas to be supplied will be different for each stage, and as a result, there is a problem that non-uniformity of the entire temperature occurs, and it has been a conventional problem to solve these problems .

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、改質熱の利用効率の向上及び全体温度分布の均一化を図りつつ、起動時間の短縮及びコンパクト化を実現することが可能である燃料電池スタック構造体を提供することを目的としている。   The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned conventional problems, and it is possible to reduce the start-up time and make it compact while improving the utilization efficiency of reforming heat and making the entire temperature distribution uniform. It aims at providing the fuel cell stack structure which is.

本発明に係る燃料電池スタック構造体は、単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状を成すセル板と、中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させた円形状を成すセパレータ板と、セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置して各々のガス導入孔と連通するガス導入流路及びガス排出孔と連通するガス排出流路を有し、セル板及びセパレータ板間に形成される空間内に燃料ガスの供給及び排出を行う中央流路部品を具備した複数の固体電解質型燃料電池ユニットを各々の中心部分で積層して成り、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間を空気の流路として設定すると共に、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路ないしその上流側端部近傍に、その上流側端部近傍の触媒担持密度を低くした多孔質体を設けたことを特徴としている。   A fuel cell stack structure according to the present invention includes a cell plate that holds a single cell and has a circular shape having a gas introduction hole and a gas discharge hole in the center portion, and a gas introduction hole and a gas discharge hole in the center portion. A separator plate having a circular shape with its outer peripheral edge joined to the outer peripheral edge of the cell plate, and a gas introduction located between each central portion of the cell plate and the separator plate and communicating with each gas introduction hole A plurality of solid electrolyte molds having a gas flow path communicating with the flow path and the gas discharge hole, and having a central flow path component for supplying and discharging fuel gas in a space formed between the cell plate and the separator plate The fuel cell units are stacked at the center of each, and the space between the solid oxide fuel cell units that overlap each other is set as an air flow path, and the gas introduction flow paths of the central flow path components are continuous with each other. Formation It is in the vicinity of the gas introduction passage to the upstream end, and characterized by providing the upstream end catalyst supporting density lower porous body in the vicinity.

本発明の燃料電池スタック構造体では、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路ないしその上流側端部近傍に多孔質体を設けているので、受熱面積が増すこととなり、この多孔質体を設置したガス導入路、すなわち、熱容量の大きい部分に高温の燃料ガスを供給して加熱し、伝熱により単セルを搭載した部分を加熱すれば、径方向の温度分布が均一化することとなり、加えて、加熱時間の短縮が図られることとなる。   In the fuel cell stack structure of the present invention, the porous body is provided in the vicinity of the gas introduction passage formed by the gas introduction passages of the central flow passage component being continuous with each other or the upstream end thereof. If the area where the porous body is installed, that is, the portion where the heat capacity is supplied is heated by supplying a high-temperature fuel gas and the portion where the single cell is mounted is heated by heat transfer, the diameter is increased. The temperature distribution in the direction becomes uniform, and in addition, the heating time is shortened.

本発明によれば、次の効果を得ることができる。
改質熱の利用効率の向上及び全体温度分布の均一化を実現したうえで、起動時間を短縮することができると共に、コンパクト化をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、ガス導入流路の上流側端部近傍において改質が一気に起きて局所的に温度が上昇してしまうことを防止できる。
According to the present invention, the following effects can be obtained.
In addition to improving the efficiency of use of reforming heat and making the entire temperature distribution uniform, the start-up time can be shortened and a very compact effect can be achieved. It is.
Further, it is possible to prevent the reforming from occurring at a stretch in the vicinity of the upstream end portion of the gas introduction flow path and causing the temperature to rise locally.

本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、複数の固体電解質型燃料電池ユニットを各々の中心部分で積層して成っているが、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間に空間を形成して空気の流路として設定するために、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板の各中心部分に、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出する円形凸状段差部をそれぞれ形成したり、例えば、プレス加工により形成したり、セル板及びセパレータ板の各中心部分間に、スペーサを介在させたりする構成を採用することができる。   In the solid oxide fuel cell of the fuel cell stack structure according to the present invention, a plurality of solid electrolyte fuel cell units are stacked at the central portion of each, but there is a space between the overlapping solid oxide fuel cell units. Are formed as concentric with the outer peripheral edge of the solid oxide fuel cell unit cell plate and separator plate, and project in a direction away from each other. It is possible to adopt a configuration in which each of the convex stepped portions is formed, for example, formed by pressing, or a spacer is interposed between the central portions of the cell plate and the separator plate.

本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池では、中央流路部品の各ガス導入流路を連続させて形成したガス導入路ないしその上流側端部近傍に多孔質体を設置して、加熱用高温ガスが導入されたときの受熱面積を大きくすることで、熱容量の大きい固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分を加熱するようにしているが、この際、多孔質体の空孔率は、複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向において変化させてもよい。   In the solid oxide fuel cell of the fuel cell stack structure of the present invention, a porous body is installed in the vicinity of the gas introduction path formed by continuously connecting each gas introduction flow path of the central flow path component or the upstream end thereof. The center of the solid oxide fuel cell unit with a large heat capacity is heated by increasing the heat receiving area when the high temperature gas for heating is introduced. At this time, the porosity of the porous body May be changed in the stacking direction of the plurality of solid oxide fuel cell units.

そして、上記多孔質体が金属の場合には、発泡金属やメッシュやフェルトやパンチングメタルやエキスパンドメタルを採用することができ、一方、多孔質体がセラミックの場合には、アルミナやセリアを採用することができる。   When the porous body is a metal, foam metal, mesh, felt, punching metal, or expanded metal can be used. On the other hand, when the porous body is ceramic, alumina or ceria is used. be able to.

また、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置し、中央流路部品の各ガス排出流路が互いに連続することで形成されるガス排出路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に位置している構成を採用することができる。   Further, in the solid oxide fuel cell of the fuel cell stack structure of the present invention, the gas introduction path formed by the gas introduction flow paths of the central flow path components being continuous with each other is the central axis of the solid oxide fuel cell unit. It is possible to adopt a configuration in which the gas discharge path formed by the gas discharge flow paths of the central flow path components being continuous with each other is positioned around the central axis of the solid oxide fuel cell unit. it can.

しかしながら、上記ガス導入路は、必ずしも固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置している必要はなく、例えば、中央流路部品の各ガス排出流路が互いに連続することで形成されるガス排出路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置し、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に位置している構成とすることが可能である。   However, the gas introduction path is not necessarily located on the central axis of the solid oxide fuel cell unit. For example, the gas formed by the gas discharge passages of the central passage component being continuous with each other. The discharge path is located on the central axis of the solid oxide fuel cell unit, and the gas introduction path formed by the gas flow paths of the central flow path components continuing to each other is the central axis of the solid oxide fuel cell unit. It is possible to have a configuration located around.

このように、ガス導入路を固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に配置すると、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分の形状の自由度が拡大するうえ、多孔質体を設置したガス導入路が単セル近傍に分散するので、すなわち、受熱部分であり且つ発熱部分が単セル近傍に分散するので、伝熱し易いものとなる。   As described above, when the gas introduction path is arranged around the central axis of the solid oxide fuel cell unit, the degree of freedom of the shape of the central portion of the solid oxide fuel cell unit is expanded and the gas introduction with the porous body is installed. Since the path is dispersed in the vicinity of the single cell, that is, the heat receiving portion and the heat generating portion is dispersed in the vicinity of the single cell, heat transfer is facilitated.

なお、ガス導入路を固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に配置する場合には、固体電解質型燃料電池ユニットの平面方向における熱分布の均一化を考慮して、中心軸の周囲に対称に配置することが望ましい。   When the gas introduction path is arranged around the central axis of the solid oxide fuel cell unit, it is symmetrical around the central axis in consideration of uniform heat distribution in the plane direction of the solid oxide fuel cell unit. It is desirable to arrange in.

さらに、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、ガス導入路ないしその上流側端部近傍に設けた多孔質体が触媒を担持している構成とすることができる。つまり、Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Ir,Ptなどの金属や、これらの金属を含む合金を触媒として多孔質体に担持させることにより、多孔質体を改質器として利用することができる。   Furthermore, in the solid oxide fuel cell of the fuel cell stack structure according to the present invention, the porous body provided in the vicinity of the gas introduction path or its upstream end can carry the catalyst. That is, a porous body can be used as a reformer by supporting a metal such as Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Ir, and Pt or an alloy containing these metals on the porous body as a catalyst. it can.

この際、触媒の担持量は、固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向及び径方向のいずれの方向にも変化させることができ、燃料ガスの入口付近であるガス導入路の上流側端部近傍の触媒担持密度を高くすると、この部分において改質が一気に起きて局所的に温度が上昇してしまうことから、ガス導入路の上流側端部近傍の触媒担持密度を低くすることが望ましい。   At this time, the amount of the catalyst supported can be changed in either the stacking direction or the radial direction of the solid oxide fuel cell unit, and the vicinity of the upstream end of the gas introduction path, which is near the fuel gas inlet. When the catalyst support density is increased, reforming occurs at this point and the temperature rises locally. Therefore, it is desirable to reduce the catalyst support density in the vicinity of the upstream end of the gas introduction path.

このように、多孔質体に触媒を担持させて、改質器の機能を内部に取り入れるようになすと、起動時には、部分酸化改質時の発熱反応を利用したスタック構造体中心部分の加熱を行い得ることとなり、改質器一体化による省スペース化や、断熱容器の簡略化や、熱効率の向上が図られることとなる。加えて、運転時には、水蒸気改質時の吸熱反応を利用したスタック構造体中心部分の冷却を行い得ることとなり、スタック構造体中心部分の異常昇温を抑制し得ることとなる。   In this way, when the catalyst is supported on the porous body and the function of the reformer is incorporated inside, at the start-up, the central part of the stack structure is heated using the exothermic reaction at the time of partial oxidation reforming. Thus, the space can be saved by integrating the reformer, the heat insulating container can be simplified, and the thermal efficiency can be improved. In addition, during operation, the central portion of the stack structure can be cooled using the endothermic reaction during steam reforming, and abnormal temperature rise in the central portion of the stack structure can be suppressed.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、ガス導入路に挿通した多孔質体支持手段に多孔質体を支持させてある構成を採用することができる。多孔質体支持手段としては、例えば、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材や、ガス導入路に挿通した管状部材を採用し得るが、これらの部材に限定されるものではない。   Furthermore, in the solid oxide fuel cell of the fuel cell stack structure of the present invention, it is possible to adopt a configuration in which the porous body is supported by the porous body supporting means inserted through the gas introduction path. As the porous body support means, for example, a fastening member of a stacked solid oxide fuel cell unit or a tubular member inserted into a gas introduction path can be adopted, but it is not limited to these members.

ここで、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体を締結部材の周囲で且つガス導入路の全長にわたって充填するように成すと、固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向のガス濃度が若干変化するものの、構造の簡略化が図られるのに加えて、省スペース化も併せて図られることとなる。このとき、多孔質体を締結部材の周囲で且つガス導入路の上流側端部、例えば、積層した固体電解質型燃料電池ユニットを押さえ付けるフランジに配置するように成すと、このフランジ周辺のみが加熱される可能性があるものの、各固体電解質型燃料電池ユニットに分配される燃料ガスの濃度の均一化が図られる。   Here, when the fastening member of the laminated solid oxide fuel cell unit is used as the porous body support means, and the porous body is filled around the fastening member and over the entire length of the gas introduction path, the solid oxide fuel cell is obtained. Although the gas concentration in the stacking direction of the units slightly changes, in addition to simplifying the structure, space saving is also achieved. At this time, if the porous body is arranged around the fastening member and at the upstream end of the gas introduction path, for example, a flange for pressing the stacked solid oxide fuel cell unit, only the periphery of the flange is heated. However, the concentration of the fuel gas distributed to each solid oxide fuel cell unit can be made uniform.

一方、ガス導入路に挿通した管状部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体を管状部材の中空部分に収容するように成すと、ガス導入路に供給される燃料ガスは、一旦強制的に下流側端部まで送られた後、各固体電解質型燃料電池ユニットに分配されることとなり、したがって、燃料ガス濃度の均一性が高まることとなる。   On the other hand, when the tubular member inserted into the gas introduction path is used as the porous body support means and the porous body is accommodated in the hollow portion of the tubular member, the fuel gas supplied to the gas introduction path is once forcedly forced. After being sent to the downstream end, it is distributed to each solid oxide fuel cell unit, and therefore the uniformity of the fuel gas concentration is increased.

この際、ガス導入路内に位置する多孔質体の周壁の少なくとも一部分をガス不透過部としてある構成とすることによっても、多孔質体を管状部材の中空部分に収容する場合と同様の作用効果が得られる。   At this time, the same effect as that in the case where the porous body is accommodated in the hollow portion of the tubular member can be obtained by adopting a configuration in which at least a part of the peripheral wall of the porous body located in the gas introduction path is a gas impermeable portion. Is obtained.

なお、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材の周囲で且つガス導入路の全長にわたって多孔質体を充填する場合において、ガス導入路の周壁面を多孔質体支持手段とすると共に多孔質体を円筒状に形成し、この円筒状の多孔質体をガス導入路の周壁面に接触させて、ガス導入路に供給される燃料ガスが円筒状多孔質体の中空部分から外側に流れるように成す構成としてもよく、この場合には、燃料ガスが多孔質体を通過して各固体電解質型燃料電池ユニットに流入する際の移動距離(多孔質体の厚み)がいずれも等しいので燃料ガスの濃度の均一化が図られる。   In the case where the porous body is filled around the fastening member of the stacked solid oxide fuel cell unit and over the entire length of the gas introduction path, the porous wall is used as the porous body support means as the peripheral wall surface of the gas introduction path. The cylindrical porous body is brought into contact with the peripheral wall surface of the gas introduction path so that the fuel gas supplied to the gas introduction path flows outward from the hollow portion of the cylindrical porous body. In this case, since the movement distance (the thickness of the porous body) when the fuel gas passes through the porous body and flows into each solid oxide fuel cell unit is equal, The concentration can be made uniform.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池ユニットに対して絶縁した締結部材や管状部材などの多孔質体支持手段又は多孔質体を加熱する加熱機構を設けた構成を採用することができ、この場合には、多孔質体支持手段又は多孔質体に通電して触媒を加熱し得ることから、触媒の起動時間を早めることができ、その結果、機動性のより一層の向上が図られることとなる。   Furthermore, in the fuel cell stack structure of the present invention, a structure provided with a porous body support means such as a fastening member or a tubular member insulated from the solid oxide fuel cell unit or a heating mechanism for heating the porous body. In this case, since the catalyst can be heated by energizing the porous body support means or the porous body, the start-up time of the catalyst can be shortened, and as a result, the mobility is further improved. Will be improved.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、中央流路部品に、セル板及びセパレータ板の各々のガス導入孔と連通するガス導入流路とは別に、多孔質体を配置する改質流路を設け、中央流路部品の各改質流路が互いに連続することで形成される改質路の上流側をガス供給源に接続すると共に、改質路の最下流を各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路に接続する構成とすることが可能である。   Furthermore, in the solid oxide fuel cell of the fuel cell stack structure according to the present invention, the porous body separately from the gas introduction flow path communicating with each gas introduction hole of the cell plate and the separator plate in the central flow path component. The reforming flow path is provided, and the upstream side of the reforming path formed by connecting the reforming paths of the central flow path components to each other is connected to the gas supply source and the most downstream of the reforming path Can be configured to be connected to a gas introduction path formed by the gas introduction flow paths being continuous with each other.

この場合、ガス供給源から供給される燃料ガスは、多孔質体を設置した改質路の最下流まで一旦送られた後、この改質路の最下流と接続するマニホールドとして機能するガス導入路を介して、各固体電解質型燃料電池ユニットに分配されることとなる。つまり、全ての燃料ガスが改質路の全体を流れてから各固体電解質型燃料電池ユニットに分配されることから、燃料ガス濃度の均一性が高まることとなる。   In this case, the fuel gas supplied from the gas supply source is once sent to the most downstream side of the reforming path on which the porous body is installed, and then the gas introduction path that functions as a manifold connected to the most downstream side of the reforming path It will be distributed to each solid oxide fuel cell unit via the. That is, since all the fuel gas flows through the entire reforming path and is distributed to each solid oxide fuel cell unit, the uniformity of the fuel gas concentration is increased.

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、燃焼器における排ガスや、熱交換器を経由した燃料ガスを流して熱交換のみをする加熱路を設置する構成としてもよく、具体的には、中央流路部品に、セル板及びセパレータ板の各々のガス導入孔と連通するガス導入流路とは別に、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分加熱用ガスを流す加熱流路を設け、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分を貫通する積層方向の加熱路を形成するべく中央流路部品の各加熱流路を互いに連続させた構成とすることが可能である。   Furthermore, in the solid oxide fuel cell of the fuel cell stack structure according to the present invention, a configuration may be provided in which a heating path for performing only heat exchange by flowing exhaust gas in the combustor or fuel gas via the heat exchanger is provided. Specifically, the heating flow for flowing the gas for heating the central portion of the solid oxide fuel cell unit to the central flow path component separately from the gas introduction flow paths communicating with the gas introduction holes of the cell plate and the separator plate, respectively. In order to form a heating path in the stacking direction passing through the central portion of the solid oxide fuel cell unit, it is possible to adopt a configuration in which the heating flow paths of the central flow path components are continuous with each other.

なお、外部からの中心部分加熱用ガスの供給源としては、燃焼器や熱交換器が利用可能であるが、これらの供給源に限定されるものではない。また、積層した固体電解質型燃料電池ユニットのボルトなどの締結部材の位置も特に限定しない。固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上、この中心軸の周囲及び固体電解質型燃料電池ユニットの外側のいずれに位置していてもよい。   A combustor or a heat exchanger can be used as a supply source of the gas for heating the central portion from the outside, but is not limited to these supply sources. Further, the position of a fastening member such as a bolt of the stacked solid oxide fuel cell unit is not particularly limited. It may be located on the central axis of the solid oxide fuel cell unit, around the central axis and outside the solid oxide fuel cell unit.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example.

[実施例1]
図1〜図5は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図1及び図2に示すように、この燃料電池スタック構造体11は、複数の固体電解質型燃料電池ユニット1をいずれも向きを同じにして積層し、この積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット1を両側(図示上下側)からフランジ13,14で挟み込んで成っている。
[Example 1]
1 to 5 show an embodiment of a fuel cell stack structure according to the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack structure 11 includes a plurality of solid oxide fuel cells. The units 1 are stacked in the same direction, and a plurality of stacked solid oxide fuel cell units 1 are sandwiched by flanges 13 and 14 from both sides (upper and lower sides in the drawing).

この燃料電池スタック構造体11を構成する固体電解質型燃料電池ユニット1は、図3にも示すように、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔21及びガス排出孔22を有する金属製セル板2と、このセル板2と同じく円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔31及びガス排出孔32を有する金属製セパレータ板3を備えており、これらのセル板2及びセパレータ板3は、互いに対向した状態で各々の外周縁部同士を接合させてあって、セル板2及びセパレータ板3間に形成される袋部分(空間)Sには、集電体4が収容してある。   As shown in FIG. 3, the solid oxide fuel cell unit 1 constituting the fuel cell stack structure 11 is formed of a metal having a circular thin plate shape and having a gas introduction hole 21 and a gas discharge hole 22 in the center. A cell plate 2 and a metal separator plate 3 having a circular thin plate shape and having a gas introduction hole 31 and a gas discharge hole 32 at the center are provided, and the cell plate 2 and the separator plate 3, the outer peripheral edges are joined to each other in a state of being opposed to each other, and the current collector 4 is accommodated in a bag portion (space) S formed between the cell plate 2 and the separator plate 3. is there.

互いに対向した状態で接合するセル板2及びセパレータ板3の各中心部分には、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出して後述するようにスペーサとして機能する円形凸状段差部23,33がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、セル板2及びセパレータ板3の各外周縁部には、この外周縁部と同心状を成し且つ互いに接近する方向に突出して空間Sを形成するための環状段差24,34がプレス加工によってそれぞれ形成してある。上記したガス導入孔21,31及びガス排出孔22,32は、セル板2及びセパレータ板3の各円形凸状段差23,33に配置してあり、セル板2の中心部分と外周縁部との間の領域には、ドーナツ形状を成す単セル6が固定してある。   A circular convex step that is concentric with the outer peripheral edge and protrudes away from each other and functions as a spacer, as will be described later, at the center of each of the cell plate 2 and the separator plate 3 that are joined to face each other. The portions 23 and 33 are respectively formed by press working, and the outer peripheral edge portions of the cell plate 2 and the separator plate 3 are concentric with the outer peripheral edge portion and project in a direction approaching each other to form a space S. The annular steps 24 and 34 for forming are respectively formed by press working. The gas introduction holes 21 and 31 and the gas discharge holes 22 and 32 described above are arranged at the circular convex steps 23 and 33 of the cell plate 2 and the separator plate 3, respectively. A single cell 6 having a donut shape is fixed in the area between the two.

また、セル板2及びセパレータ板3の各中心部分に位置する円形凸状段差部23,33のうちのセパレータ板3の円形凸状段差部33には、ガス導入孔31と連通するガス導入流路51を具備してセル板2及びセパレータ板3間に形成される空間S内に対するガス供給行う中央流路部品5が収容してあると共に、セル板2の円形凸状段差部23には、ガス排出孔22と連通するガス排出流路52を具備して上記空間Sからのガス排出を行う中央流路部品5が収容してあり、これらの中央流路部品5,5は、後述するように、この固体電解質型燃料電池ユニット1を積層してスタック構造体11を形成した状態において、スタック構造体11全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。   Further, of the circular convex step portions 23 and 33 located at the central portions of the cell plate 2 and the separator plate 3, the circular convex step portion 33 of the separator plate 3 communicates with the gas introduction hole 31. A central flow path component 5 for supplying gas into the space S formed between the cell plate 2 and the separator plate 3 with the passage 51 is accommodated, and the circular convex step portion 23 of the cell plate 2 includes A central flow path component 5 that includes a gas discharge flow path 52 that communicates with the gas discharge hole 22 and discharges gas from the space S is accommodated. These central flow path components 5 and 5 will be described later. In addition, in the state where the stack structure 11 is formed by stacking the solid oxide fuel cell units 1, they are brought into close contact with each other only by the pressing force of the entire stack structure 11.

さらに、この実施例における燃料電池スタック構造体11は、通気性のある集電体15を介して上記した固体電解質型燃料電池ユニット1を積層して成っており、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット1,1の間を空気の流路として設定している。   Further, the fuel cell stack structure 11 in this embodiment is formed by laminating the above-described solid oxide fuel cell units 1 via a gas permeable current collector 15, and the solid oxide fuel cell units overlapping each other. Between 1 and 1 is set as an air flow path.

さらにまた、この燃料電池スタック構造体11では、セル板2及びセパレータ板3の各中心に形成した中心孔をガス導入孔21,31とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数の孔をガス排出孔22,32としており、各ガス導入孔21,31を介して中央流路部品5の各ガス導入流路51を互いに連続させることでガス導入路51Aを形成し、各ガス排出孔22,32を介して中央流路部品5の各ガス排出流路52を互いに連続させることでガス排出路52Aを形成するようにしている。   Furthermore, in this fuel cell stack structure 11, the central holes formed at the centers of the cell plate 2 and the separator plate 3 serve as gas introduction holes 21, 31, and a plurality of holes formed around the central hole are gas. The gas introduction channels 51A are formed by connecting the gas introduction channels 51 of the central channel component 5 to each other through the gas introduction holes 21 and 31 to form the gas introduction channels 51A. The gas discharge passages 52A are formed by connecting the gas discharge passages 52 of the central flow passage component 5 to each other via 32.

この場合、中央流路部品5の各ガス導入流路51が互いに連続することで形成されるガス導入路51Aには、Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Ir,Ptなどの金属やこれらの金属を含む合金を触媒として担持する発泡金属やアルミナなどの多孔質体20が設けてある。   In this case, the gas introduction passage 51A formed by the gas introduction passages 51 of the central flow passage component 5 being continuous with each other includes metals such as Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Ir, and Pt, and the like. A porous body 20 such as a foam metal or alumina carrying an alloy containing a metal as a catalyst is provided.

なお、互いに積層する固体電解質型燃料電池ユニット1の各中心部分間には、互いに対向するガス導入孔21,31同士及び互いに対向する複数のガス排出孔22,32同士を気密的に連通させる図示しないシール材が設けてある。   In addition, between each center part of the solid oxide fuel cell unit 1 laminated | stacked mutually, the gas introduction holes 21 and 31 which mutually oppose, and several gas discharge holes 22 and 32 which mutually oppose are communicated in the airtight illustration There is no sealing material.

そして、上記シール材を介して積層する固体電解質型燃料電池ユニット1は、一本のボルト16で固定するようになっており、この実施例において、図4及び図5にも示すように、中央流路部品5の各ガス導入流路51が互いに連続することで形成されるガス導入路51Aに対して、絶縁ワッシャ17を介してフランジ13を貫通させたボルト16を挿通し、フランジ14から外部に突出するボルト16の先端部に絶縁ワッシャ17及び皿ばね18を介してナット19をねじ込むことにより、複数の固体電解質型燃料電池ユニット1を締結するようになっている。   And the solid oxide fuel cell unit 1 laminated | stacked through the said sealing material is fixed with the one volt | bolt 16, In this Example, as shown also in FIG.4 and FIG.5, as shown in FIG. Bolts 16 penetrating the flange 13 through the insulating washer 17 are inserted into the gas introduction passages 51A formed by the gas introduction passages 51 of the flow passage component 5 being continuous with each other, and are externally connected from the flange 14 to the outside. A plurality of solid oxide fuel cell units 1 are fastened by screwing nuts 19 into the front end portions of the bolts 16 protruding inward via insulating washers 17 and disc springs 18.

この際、ガス導入路51Aに設置した多孔質体20は、締結部材であるボルト16の周囲で且つガス導入路51Aの全長にわたって充填された状態となっている。なお、図2の符号Tは出力端子である。   At this time, the porous body 20 installed in the gas introduction path 51A is in a state of being filled around the bolt 16 as a fastening member and over the entire length of the gas introduction path 51A. In addition, the code | symbol T of FIG. 2 is an output terminal.

この実施例において、セル板2及びセパレータ板3には、肉厚が0.1mmのSUS430の圧延板を用いた。そして、この圧延板を超硬及びSKD11から成る金型を装備したプレス装置にセットして、80トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行った。このプレス加工により得られたセル板2及びセパレータ板3の外径は125mm、段差寸法は円形凸状段差23,33及び環状段差24,34ともに1mmであり、両セパレータ2,3の各外周縁部同士の接合には、レーザ溶接を用いた。   In this example, the cell plate 2 and the separator plate 3 were SUS430 rolled plates having a thickness of 0.1 mm. Then, this rolled plate was set in a press machine equipped with a die made of cemented carbide and SKD11 and subjected to press working with a press load of 80 tons. The outer diameter of the cell plate 2 and the separator plate 3 obtained by this pressing is 125 mm, the step size is 1 mm for both the circular convex steps 23 and 33 and the annular steps 24 and 34, and the outer peripheral edges of both separators 2 and 3. Laser welding was used for joining the parts.

一方、中央流路部品5にもSUS430を用い、セル板2及びセパレータ板3に対しては、接合温度を1000℃以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変形を防いでいる。なお、拡散接合に代えてYAGレーザを用いたレーザ溶接による接合も可能であり、この際、セル板2及びセパレータ板3が薄板状を成していることから、表側からレーザを照射しても接合することができる。また、中央流路部品5の流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザ加工により形成することができるほか、エッチング部品を積層して接合することによっても形成することができる。   On the other hand, SUS430 is also used for the central flow path component 5, and the cell plate 2 and the separator plate 3 are fixed by diffusion bonding in a vacuum at a bonding temperature of 1000 ° C. or less to prevent deformation at the time of bonding. Yes. In addition, instead of diffusion bonding, bonding by laser welding using a YAG laser is also possible. At this time, since the cell plate 2 and the separator plate 3 are in a thin plate shape, even if laser is irradiated from the front side Can be joined. In addition, the flow path pattern of the central flow path component 5 can be formed by etching, grinding, or laser processing, and can also be formed by stacking and joining etched components.

このスタック構造体11において、固体電解質型燃料電池ユニット1とこれに積層した固体電解質型燃料電池ユニット1との間、すなわち、カソード側である層間に配置した集電体15の部分に空気が流れ、一方、燃料ガスは、図2及び図4に示すように、フランジ13,固体電解質型燃料電池ユニット1のガス導入路51A及び各ガス導入孔21,31を通してセル板2及びセパレータ板3間に形成される各空間S内に導入され、上記空間S内を流れた後、ガス排出路52A及びフランジ14を通して排気される。   In the stack structure 11, air flows between the solid oxide fuel cell unit 1 and the solid oxide fuel cell unit 1 laminated thereon, that is, the current collector 15 disposed between the layers on the cathode side. On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 4, the fuel gas passes between the cell plate 2 and the separator plate 3 through the flange 13, the gas introduction path 51 </ b> A of the solid oxide fuel cell unit 1, and the gas introduction holes 21 and 31. After being introduced into each space S to be formed and flowing through the space S, the gas is exhausted through the gas discharge path 52 </ b> A and the flange 14.

上記した燃料電池スタック構造体11では、中央流路部品5の各ガス導入流路51が互いに連続することで形成されるガス導入路51Aに多孔質体20を設けているので、受熱面積が増すこととなり、この多孔質体20を設置したガス導入路51A、すなわち、熱容量の大きい部分に高温の燃料ガスを供給して加熱し、伝熱により単セル6を搭載した部分を加熱すれば、径方向の温度分布が均一化することとなり、加えて、加熱時間の短縮が図られることとなる。   In the fuel cell stack structure 11 described above, since the porous body 20 is provided in the gas introduction passage 51A formed by the gas introduction passages 51 of the central passage component 5 being continuous with each other, the heat receiving area is increased. That is, if the gas introduction path 51A in which the porous body 20 is installed, that is, a portion having a large heat capacity is heated by supplying a high-temperature fuel gas and the portion on which the single cell 6 is mounted by heat transfer, The temperature distribution in the direction becomes uniform, and in addition, the heating time is shortened.

また、上記した燃料電池スタック構造体11では、締結部材であるボルト16の周囲で且つガス導入路51Aの全長にわたって多孔質体20を充填しているので、固体電解質型燃料電池ユニット1の積層方向のガス濃度が若干変化するものの、構造の簡略化が図られるのに加えて、省スペース化も併せて図られることとなる。   Further, in the fuel cell stack structure 11 described above, the porous body 20 is filled around the bolt 16 as a fastening member and over the entire length of the gas introduction path 51A, so the stacking direction of the solid oxide fuel cell unit 1 is increased. Although the gas concentration slightly changes, in addition to the simplification of the structure, space saving is also achieved.

なお、図6に示すように、多孔質体20をボルト16の周囲で且つガス導入路51Aの上流側端部、例えば、フランジ13に配置するようにしてもよく、この場合には、フランジ13周辺のみが加熱される可能性があるものの、各固体電解質型燃料電池ユニット1に分配される燃料ガスの濃度の均一化が図られることとなる。   As shown in FIG. 6, the porous body 20 may be disposed around the bolt 16 and at the upstream end of the gas introduction path 51A, for example, the flange 13, and in this case, the flange 13 Although only the periphery may be heated, the concentration of the fuel gas distributed to each solid oxide fuel cell unit 1 is made uniform.

上記した実施例では、単セル6がドーナツ状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図7に示すように、単セル6Aが小径の円板状を成す場合であってもよく、この場合には、セル板2の内周縁部及び外周縁部の間の領域に、複数の単セル6Aを等間隔で配置することが好ましい。   In the above-described embodiment, the case where the single cell 6 has a donut shape is shown. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 7, the single cell 6A has a small-diameter disk shape. In this case, it is preferable to arrange the plurality of single cells 6A at equal intervals in the region between the inner peripheral edge and the outer peripheral edge of the cell plate 2.

[実施例2]
図8及び図9は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示している。図8及び図9に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体11では、ガス導入路5A内においてボルト16と同軸に配置した管状部材46を多孔質体支持手段とし、多孔質体20を管状部材46の中空部分で且つガス導入路51Aの全長にわたって充填している、すなわち、多孔質体20をボルト16と管状部材46の間で且つガス導入路51Aの全長にわたって充填している。
[Example 2]
8 and 9 show another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIGS. 8 and 9, in the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, the tubular member 46 disposed coaxially with the bolt 16 in the gas introduction path 5A is used as the porous body support means, and the porous body 20 is used. Is filled in the hollow portion of the tubular member 46 and over the entire length of the gas introduction path 51A, that is, the porous body 20 is filled between the bolt 16 and the tubular member 46 and over the entire length of the gas introduction path 51A.

この実施例の燃料電池スタック構造体11において、ガス導入路51Aに供給される燃料ガスは、一旦強制的に下流側端部まで送られた後、各ガス導入孔21,31を通して固体電解質型燃料電池ユニット1に分配されることとなり、したがって、燃料ガス濃度の均一性が高まることとなる。   In the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, the fuel gas supplied to the gas introduction path 51A is once forcibly sent to the downstream end and then the solid oxide fuel through the gas introduction holes 21 and 31. Therefore, the fuel gas concentration is more uniform.

この際、多孔質体支持手段としての管状部材46を配置せずに、ガス導入路51A内においてボルト16に支持された多孔質体20の周壁の少なくとも一部分をガス不透過部とするように成すことによっても、多孔質体20を管状部材46の中空部分に収容する場合と同様の作用効果が得られる。   At this time, the tubular member 46 as the porous body support means is not disposed, and at least a part of the peripheral wall of the porous body 20 supported by the bolt 16 in the gas introduction path 51A is formed as a gas impermeable portion. Also by this, the same effect as the case where the porous body 20 is accommodated in the hollow portion of the tubular member 46 can be obtained.

[実施例3]
図10は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図10に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体11では、ガス導入路51Aの周壁面51aを多孔質体支持手段とすると共に多孔質体20を円筒状に形成し、この円筒状の多孔質体20をガス導入路51Aの周壁面51aに接触させて、ガス導入路51Aに供給される燃料ガスが円筒状多孔質体20の中空部分から外側に流れるようにしている。
[Example 3]
FIG. 10 shows still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIG. 10, in the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, the peripheral wall surface 51a of the gas introduction path 51A is used as a porous body support means, and the porous body 20 is formed in a cylindrical shape. The porous body 20 is brought into contact with the peripheral wall surface 51a of the gas introduction path 51A so that the fuel gas supplied to the gas introduction path 51A flows from the hollow portion of the cylindrical porous body 20 to the outside.

この実施例の燃料電池スタック構造体11において、燃料ガスが多孔質体20を通過して各固体電解質型燃料電池ユニット1に流入する際の移動距離(多孔質体20の厚み)がいずれも等しいので燃料ガスの濃度の均一化が図られる。   In the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, the movement distance (the thickness of the porous body 20) when the fuel gas passes through the porous body 20 and flows into each solid oxide fuel cell unit 1 is the same. Therefore, the fuel gas concentration can be made uniform.

[実施例4]
図11は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図11に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体11では、中央流路部品5の各ガス導入流路51を互いに連続させることで形成したガス導入路51Aと、中央流路部品5の各ガス排出流路52を互いに連続させることで形成したガス排出路51Bとは別に、ガス導入路51Aの周囲に複数のボルト挿通孔53を設け、積層した固体電解質型燃料電池ユニット1をこれらのボルト挿通孔53にそれぞれ挿通した複数本のボルト16で締結して固定するようにしており、多孔質体20は、ガス導入路51Aの全長にわたってほぼ隙間なく充填してある。
[Example 4]
FIG. 11 shows still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIG. 11, in the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, the gas introduction passage 51A formed by connecting the gas introduction passages 51 of the central passage component 5 to each other, and the central passage component 5 In addition to the gas discharge passage 51B formed by connecting the gas discharge passages 52 to each other, a plurality of bolt insertion holes 53 are provided around the gas introduction passage 51A, and the stacked solid oxide fuel cell units 1 are The plurality of bolts 16 respectively inserted into the bolt insertion holes 53 are fastened and fixed, and the porous body 20 is filled with almost no gap over the entire length of the gas introduction path 51A.

この実施例では、上記した燃料電池スタック構造体11と同じ作用効果が得られるのに加えて、積層した固体電解質型燃料電池ユニット1を複数のボルト16で締結して固定し得ることから、ボルト16にかかる熱応力による変形を防止することができる。   In this embodiment, in addition to the same effects as the fuel cell stack structure 11 described above, the stacked solid oxide fuel cell unit 1 can be fastened and fixed with a plurality of bolts 16. 16 can be prevented from being deformed by thermal stress.

なお、この実施例では、多孔質体20をガス導入路51Aの全長にわたってほぼ隙間なく充填した場合を示したが、他の配置例として、例えば、図12(a)に示すように、多孔質体20をガス導入路51Aの周壁51aと隙間をおいた状態で固体電解質型燃料電池ユニット1の中心軸上に配置したり、図12(b)に示すように、円筒状に形成した多孔質体20をガス導入路51Aの周壁面51aに接触させた状態で配置したりすることができる。   In this embodiment, the case where the porous body 20 is filled with almost no gap over the entire length of the gas introduction path 51A is shown. However, as another arrangement example, for example, as shown in FIG. The body 20 is disposed on the central axis of the solid oxide fuel cell unit 1 with a gap from the peripheral wall 51a of the gas introduction path 51A, or a porous body formed in a cylindrical shape as shown in FIG. The body 20 can be arranged in a state in which the body 20 is in contact with the peripheral wall surface 51a of the gas introduction path 51A.

[実施例5]
図13及び図14は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図13及び図14に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体11では、セル板2及びセパレータ板3の各中心に形成した中心孔をガス排出孔22,32とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数の孔をガス導入孔21,31としている。つまり、各ガス排出孔22,32を介して中央流路部品5の各ガス排出流路52を互いに連続させることで形成したガス排出路52Aがセル板2及びセパレータ板3の各中心に位置し、各ガス導入孔21,31を介して中央流路部品5の各ガス導入流路51を互いに連続させることで形成したガス導入路51Aがガス排出路52Aの周囲に位置するものとしてある。
[Example 5]
13 and 14 show still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIGS. 13 and 14, in the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, the center holes formed at the centers of the cell plate 2 and the separator plate 3 are the gas discharge holes 22 and 32, and the center holes A plurality of holes formed around the gas inlet holes 21 and 31 are used. That is, the gas discharge passages 52 </ b> A formed by connecting the gas discharge passages 52 of the central flow passage component 5 to each other through the gas discharge holes 22 and 32 are positioned at the centers of the cell plate 2 and the separator plate 3. The gas introduction passage 51A formed by connecting the gas introduction passages 51 of the central passage component 5 to each other through the gas introduction holes 21 and 31 is positioned around the gas discharge passage 52A.

そして、この燃料電池スタック構造体11において、中央流路部品5に、ガス導入流路51とは別に、多孔質体20を配置する改質流路54をガス排出路52Aの周囲に複数配置し、中央流路部品5の各改質流路54が互いに連続することで形成される複数の改質路54Aの上流側をガス供給源に接続すると共に、改質路54Aの最下流を各ガス導入流路51が互いに連続することで形成されるガス導入路51Aにそれぞれ接続させてあり、ガス排出路52Aに対して、絶縁ワッシャ17を介してフランジ13を貫通させたボルト16を挿通し、フランジ14から外部に突出するボルト16の先端部に絶縁ワッシャ17及び皿ばね18を介してナット19をねじ込むことで、複数の固体電解質型燃料電池ユニット1を締結するようになっている。   In the fuel cell stack structure 11, a plurality of reforming channels 54 for arranging the porous body 20 are arranged around the gas discharge channel 52 </ b> A in the central channel component 5, separately from the gas introduction channel 51. The upstream side of the plurality of reforming paths 54A formed by the reforming channels 54 of the central channel part 5 being continuous with each other is connected to the gas supply source, and the most downstream of the reforming path 54A is connected to each gas. Each of the introduction flow paths 51 is connected to a gas introduction path 51A formed by being continuous with each other, and the bolt 16 penetrating the flange 13 through the insulating washer 17 is inserted into the gas discharge path 52A. A plurality of solid oxide fuel cell units 1 are fastened by screwing nuts 19 through insulating washers 17 and disc springs 18 to the front ends of bolts 16 projecting outward from the flange 14. .

この実施例の燃料電池スタック構造体11では、ガス供給源から供給される燃料ガスは、多孔質体20を設置した複数の改質路54Aの各最下流まで一旦送られた後、これらの改質路54Aの各最下流と接続するマニホールドとして機能するガス導入路51Aを介して、各固体電解質型燃料電池ユニット1に分配されることとなる。つまり、全ての燃料ガスが改質路54Aの全体を流れてから各固体電解質型燃料電池ユニット1に分配されることから、燃料ガス濃度の均一性が高まることとなる。   In the fuel cell stack structure 11 according to this embodiment, the fuel gas supplied from the gas supply source is once sent to the most downstream sides of the plurality of reforming paths 54A in which the porous body 20 is installed, and then these modifications are made. The gas is distributed to each solid oxide fuel cell unit 1 through a gas introduction path 51A that functions as a manifold connected to the most downstream side of the mass path 54A. That is, since all the fuel gas flows through the entire reforming path 54A and then is distributed to each solid oxide fuel cell unit 1, the uniformity of the fuel gas concentration is increased.

[実施例6]
図15及び図16は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図15に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体11では、積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット1を矩形状を成すフランジ13A,14Aで両側(図示上下側)から挟み込み、これらのフランジ13A,14Aの四隅に掛け渡した四本のボルト16で締結して固定するようにしており、多孔質体20は、図16に示すように、ガス導入路51Aの全長にわたってほぼ隙間なく充填してある。
[Example 6]
15 and 16 show still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIG. 15, in the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, a plurality of stacked solid oxide fuel cell units 1 are sandwiched from both sides (upper and lower sides in the drawing) by rectangular flanges 13A and 14A. As shown in FIG. 16, the porous body 20 has almost no gap over the entire length of the gas introduction path 51A. Filled.

この実施例では、上記した燃料電池スタック構造体11と同じ作用効果が得られるのに加えて、積層した固体電解質型燃料電池ユニット1をこれらの周囲に位置する四本のボルト16で締結して固定し得ることから、ボルト16にかかる熱応力による変形を防止することができる。   In this embodiment, in addition to the same effects as the fuel cell stack structure 11 described above, the stacked solid oxide fuel cell units 1 are fastened with four bolts 16 positioned around them. Since it can fix, the deformation | transformation by the thermal stress concerning the volt | bolt 16 can be prevented.

なお、この実施例では、多孔質体20をガス導入路51Aの全長にわたってほぼ隙間なく充填した場合を示したが、他の配置例として、例えば、図17に示すように、多孔質体20をガス導入路51Aの周壁51aと隙間をおいた状態で固体電解質型燃料電池ユニット1の中心軸上に配置することができる。   In this embodiment, the case where the porous body 20 is filled with almost no gap over the entire length of the gas introduction path 51A is shown. However, as another arrangement example, for example, as shown in FIG. It can be disposed on the central axis of the solid oxide fuel cell unit 1 with a gap from the peripheral wall 51a of the gas introduction path 51A.

[実施例7]
図18は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図18に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体11では、上記した実施例5における燃料電池スタック構造体11において、すなわち、最下流を各ガス導入路51Aにそれぞれ接続させた複数の改質路54Aを有する燃料電池スタック構造体11において、積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット1を矩形状を成すフランジ13A,14Aで両側(図示上下側)から挟み込み、これらのフランジ13A,14Aの四隅に掛け渡した四本のボルト16で締結して固定するようにしている。
[Example 7]
FIG. 18 shows still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. As shown in FIG. 18, in the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, in the fuel cell stack structure 11 in the above-described embodiment 5, that is, a plurality of gas pipes 51 </ b> A connected to the gas introduction paths 51 </ b> A. In the fuel cell stack structure 11 having the reforming path 54A, a plurality of stacked solid oxide fuel cell units 1 are sandwiched from both sides (upper and lower sides in the drawing) by rectangular flanges 13A and 14A, and these flanges 13A and 14A are sandwiched between them. The four bolts 16 spanning the four corners are fastened and fixed.

この実施例の燃料電池スタック構造体11では、実施例5における燃料電池スタック構造体11と同じ作用効果が得られるのに加えて、積層した固体電解質型燃料電池ユニット1をこれらの周囲に位置する四本のボルト16で締結して固定し得ることから、ボルト16にかかる熱応力による変形を防止することができる。   In the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, in addition to the same effects as the fuel cell stack structure 11 in the embodiment 5, the stacked solid oxide fuel cell units 1 are positioned around these. Since the four bolts 16 can be fastened and fixed, deformation due to thermal stress applied to the bolts 16 can be prevented.

上記した実施例1〜7の燃料電池スタック構造体11において、固体電解質型燃料電池ユニット1に対して絶縁した締結部材としてのボルト16や管状部材46などの多孔質体支持手段又は多孔質体20それ自身を加熱する図示しない加熱機構を設けた構成を採用することができ、この場合には、ボルト16や管状部材46などの多孔質体支持手段又は多孔質体20それ自身に通電して触媒を加熱し得ることから、触媒の起動時間を早めることができ、その結果、機動性のより一層の向上が図られることとなる。   In the fuel cell stack structure 11 of Examples 1 to 7 described above, the porous body supporting means such as the bolt 16 and the tubular member 46 or the porous body 20 as fastening members insulated from the solid oxide fuel cell unit 1. A structure provided with a heating mechanism (not shown) for heating itself can be employed. In this case, the catalyst is provided by energizing the porous body supporting means such as the bolt 16 and the tubular member 46 or the porous body 20 itself. Since the catalyst can be heated, the starting time of the catalyst can be shortened, and as a result, the mobility can be further improved.

[実施例8]
図19は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。この実施例の燃料電池スタック構造体11では、図19に示すように、中央流路部品5に、セル板2及びセパレータ板3の各々のガス導入孔21,31と連通するガス導入流路51とは別に、固体電解質型燃料電池ユニット1の中心部分加熱用ガスを流す加熱流路55を設け、固体電解質型燃料電池ユニット1の中心部分を貫通する積層方向の加熱路55Aを形成するべく中央流路部品5の各加熱流路51を互いに連続させた構成としている。この場合も、加熱路55Aに加熱用ガスを流すことで触媒を加熱し得ることから、触媒の起動時間を早めることができ、その結果、機動性のより一層の向上が図られることとなる。
[Example 8]
FIG. 19 shows still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. In the fuel cell stack structure 11 of this embodiment, as shown in FIG. 19, a gas introduction channel 51 that communicates with the gas introduction holes 21 and 31 of the cell plate 2 and the separator plate 3 in the central channel component 5. Separately, a heating channel 55 for flowing a gas for heating the central portion of the solid oxide fuel cell unit 1 is provided, and a central heating channel 55A passing through the central portion of the solid oxide fuel cell unit 1 is formed in the center. Each heating channel 51 of the channel component 5 is configured to be continuous with each other. Also in this case, since the catalyst can be heated by flowing the heating gas through the heating path 55A, the start-up time of the catalyst can be shortened, and as a result, the mobility is further improved.

なお、外部からの中心部分加熱用ガスの供給源としては、燃焼器や熱交換器が利用可能であるが、これらの供給源に限定されるものではない。   A combustor or a heat exchanger can be used as a supply source of the gas for heating the central portion from the outside, but is not limited to these supply sources.

本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示す分解斜視説明図である。(実施例1)It is a disassembled perspective explanatory drawing which shows one Example of the fuel cell stack structure of this invention. Example 1 図1における燃料電池スタック構造体の図1A−B線位置に基づく断面説明図である。(実施例1)FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack structure in FIG. 1 based on the position of FIG. 1A-B line. Example 1 図1における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。(実施例1)FIG. 2 is an exploded perspective view of a solid oxide fuel cell unit constituting the fuel cell stack structure in FIG. 1. Example 1 図1における燃料電池スタック構造体の図1A−B線位置に基づく部分拡大断面説明図である。(実施例1)FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional explanatory view of the fuel cell stack structure in FIG. 1 based on the position of FIG. 1A-B line. Example 1 図1における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。(実施例1)FIG. 2 is an explanatory plan view of a central flow path component showing a positional relationship among a gas introduction path, a gas discharge path, and a porous body of the fuel cell stack structure in FIG. 1. Example 1 図1の燃料電池スタック構造体における多孔質体の他の配置例を示す図1A−B線相当位置での部分拡大断面説明図である。FIG. 7 is a partially enlarged cross-sectional explanatory view at a position corresponding to the line of FIGS. 1A and 1B showing another arrangement example of the porous body in the fuel cell stack structure of FIG. 1. 図1における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの他の構成例を示す分解斜視説明図である。FIG. 3 is an exploded perspective view showing another configuration example of the solid oxide fuel cell unit constituting the fuel cell stack structure in FIG. 1. 本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示す図1A−B線相当位置での部分拡大断面説明図である。(実施例2)FIG. 7 is a partially enlarged cross-sectional explanatory view at a position corresponding to the line of FIGS. (Example 2) 図8における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。(実施例2)FIG. 9 is an explanatory plan view of a central flow path component showing a positional relationship among a gas introduction path, a gas discharge path, and a porous body of the fuel cell stack structure in FIG. 8. (Example 2) 本発明のさらに他の実施例による燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。(実施例3)FIG. 6 is an explanatory plan view of a central flow path component showing a positional relationship among a gas introduction path, a gas discharge path, and a porous body of a fuel cell stack structure according to still another embodiment of the present invention. (Example 3) 本発明のさらに他の実施例による燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。(実施例4)FIG. 6 is an explanatory plan view of a central flow path component showing a positional relationship among a gas introduction path, a gas discharge path, and a porous body of a fuel cell stack structure according to still another embodiment of the present invention. Example 4 図11における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との他の配置パターンを示す中央流路部品の平面説明図(a),(b)である。It is plane explanatory drawing (a), (b) of center flow path components which shows the other arrangement pattern of the gas introduction path of the fuel cell stack structure in FIG. 11, a gas exhaust path, and a porous body. 本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す図1A−B線相当位置での部分拡大断面説明図である。(実施例5)FIG. 7 is a partially enlarged cross-sectional explanatory view at a position corresponding to FIG. 1A-B showing still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention. (Example 5) 図13における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。(実施例5)FIG. 14 is an explanatory plan view of a central flow path component showing a positional relationship among a gas introduction path, a gas discharge path, and a porous body of the fuel cell stack structure in FIG. 13. (Example 5) 本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す分解斜視説明図である。(実施例6)It is a disassembled perspective explanatory drawing which shows the further another Example of the fuel cell stack structure of this invention. (Example 6) 図15における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。(実施例6)FIG. 16 is an explanatory plan view of a central flow path component showing a positional relationship among a gas introduction path, a gas discharge path, and a porous body of the fuel cell stack structure in FIG. 15. (Example 6) 図15の燃料電池スタック構造体における多孔質体の他の配置例を示す中央流路部品の平面説明図である。FIG. 16 is an explanatory plan view of a central flow path component showing another arrangement example of the porous body in the fuel cell stack structure of FIG. 15. 本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す部分平面説明図である。(実施例7)FIG. 5 is a partial plan view showing still another embodiment of the fuel cell stack structure according to the present invention. (Example 7) 本発明のさらに他の実施例による燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。(実施例8)FIG. 6 is an explanatory plan view of a central flow path component showing a positional relationship among a gas introduction path, a gas discharge path, and a porous body of a fuel cell stack structure according to still another embodiment of the present invention. (Example 8)

符号の説明Explanation of symbols

1 固体電解質型燃料電池ユニット
2 セル板
3 セパレータ板
5 中央流路部品
6 単セル
11 スタック構造体
16 ボルト(締結部材;多孔質体支持手段)
20 多孔質体
21,31 ガス導入孔
22,32 ガス排出孔
46 管状部材(多孔質体支持手段)
51 ガス導入流路
51A ガス導入路
52 ガス排出流路
52A ガス排出路
54 改質流路
54A 改質路
55 加熱流路
55A 加熱路
S 空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell unit 2 Cell plate 3 Separator plate 5 Central flow path component 6 Single cell 11 Stack structure 16 Bolt (fastening member; porous body support means)
20 Porous body 21, 31 Gas introduction hole 22, 32 Gas discharge hole 46 Tubular member (porous body support means)
51 Gas Introducing Channel 51A Gas Introducing Channel 52 Gas Discharging Channel 52A Gas Discharging Channel 54 Reforming Channel 54A Reforming Channel 55 Heating Channel 55A Heating Channel S Space

Claims (11)

単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状を成すセル板と、
中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させた円形状を成すセパレータ板と、
セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置して各々のガス導入孔と連通するガス導入流路及びガス排出孔と連通するガス排出流路を有し、セル板及びセパレータ板間に形成される空間内に燃料ガスの供給及び排出を行う中央流路部品を具備した複数の固体電解質型燃料電池ユニットを各々の中心部分で積層して成り、
互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間を空気の流路として設定すると共に、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路ないしその上流側端部近傍に、その上流側端部近傍の触媒担持密度を低くした多孔質体を設けたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
A cell plate that holds a single cell and has a circular shape having a gas introduction hole and a gas discharge hole in the center portion;
A separator plate having a circular shape in which a gas introduction hole and a gas discharge hole are formed in the center portion and an outer peripheral edge portion thereof is joined to an outer peripheral edge portion of the cell plate;
A gas introduction passage located between the central portions of the cell plate and the separator plate and communicating with each gas introduction hole and a gas discharge passage communicating with the gas discharge hole are formed between the cell plate and the separator plate. A plurality of solid oxide fuel cell units each provided with a central flow path component for supplying and discharging fuel gas in a space to be stacked at each central portion;
The space between the solid oxide fuel cell units that overlap each other is set as an air flow path, and the gas introduction flow path formed by the gas flow paths of the central flow path component being continuous with each other or in the vicinity of the upstream end thereof. A fuel cell stack structure characterized in that a porous body having a reduced catalyst carrying density in the vicinity of its upstream end is provided.
中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置し、中央流路部品の各ガス排出流路が互いに連続することで形成されるガス排出路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に位置している請求項1に記載の燃料電池スタック構造体。   The gas introduction passage formed by the gas introduction passages of the central passage component being continuous with each other is located on the central axis of the solid oxide fuel cell unit, and the gas discharge passages of the central passage component are continuous with each other. 2. The fuel cell stack structure according to claim 1, wherein the gas discharge path formed as a result is located around the central axis of the solid oxide fuel cell unit. 中央流路部品の各ガス排出流路が互いに連続することで形成されるガス排出路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置し、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に位置している請求項1に記載の燃料電池スタック構造体。   The gas discharge passage formed by the gas discharge passages of the central flow passage component being continuous with each other is located on the central axis of the solid oxide fuel cell unit, and the gas introduction passages of the central flow passage component are continuous with each other. 2. The fuel cell stack structure according to claim 1, wherein the gas introduction path formed is positioned around a central axis of the solid oxide fuel cell unit. ガス導入路に挿通した多孔質体支持手段に多孔質体を支持させてある請求項1〜3のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。 The fuel cell stack structure according to any one of claims 1 to 3 , wherein the porous body is supported by a porous body support means inserted through the gas introduction path . 積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体
を締結部材の周囲に配置してある請求項に記載の燃料電池スタック構造体。
The fastening member of the laminated solid oxide fuel cell unit is used as a porous body support means, and the porous body
The fuel cell stack structure according to claim 4 , wherein the fuel cell stack structure is disposed around the fastening member .
ガス導入路に挿通した管状部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体を管状部材の中空部
分に収容してある請求項5に記載の燃料電池スタック構造体。
A tubular member inserted into the gas introduction path is used as a porous body support means, and the porous body is a hollow portion of the tubular member.
6. The fuel cell stack structure according to claim 5, wherein the fuel cell stack structure is contained in a minute .
元の請求項8
ガス導入路内に位置する多孔質体の周壁の少なくとも一部分をガス不透過部としてある請求項1〜6のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
Original claim 8
The fuel cell stack structure according to any one of claims 1 to 6, wherein at least a part of the peripheral wall of the porous body located in the gas introduction path is a gas impermeable portion .
固体電解質型燃料電池ユニットに対して絶縁した多孔質体支持手段又は多孔質体を加熱する加熱機構を設けた請求項5〜8のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。   The fuel cell stack structure according to any one of claims 5 to 8, further comprising a porous body support means insulated from the solid oxide fuel cell unit or a heating mechanism for heating the porous body. 中央流路部品に、セル板及びセパレータ板の各々のガス導入孔と連通するガス導入流路とは別に、多孔質体を配置する改質流路を設け、中央流路部品の各改質流路が互いに連続することで形成される改質路の上流側をガス供給源に接続すると共に、改質路の最下流を各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路に接続する請求項3に記載の燃料電池スタック構造体。 In addition to the gas introduction channels communicating with the gas introduction holes of the cell plate and the separator plate, the central channel component is provided with a reforming channel for arranging the porous body, and each reforming flow of the central channel component is provided. The upstream side of the reforming path formed by the continuous paths is connected to the gas supply source, and the most downstream side of the reforming path is connected to the gas introducing path formed by the continuous gas introducing channels The fuel cell stack structure according to claim 3 to be connected . 中央流路部品に、セル板及びセパレータ板の各々のガス導入孔と連通するガス導入流路とは別に、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分加熱用ガスを流す加熱流路を設け、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分を貫通する積層方向の加熱路を形成するべく中央流路部品の各加熱流路を互いに連続させた請求項1〜のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。 In addition to the gas introduction flow paths communicating with the gas introduction holes of the cell plate and the separator plate, the central flow path component is provided with a heating flow path for flowing a gas for heating the central portion of the solid oxide fuel cell unit. The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 9 , wherein each heating flow path of the central flow path component is made continuous with each other so as to form a heating path in the stacking direction that penetrates the central portion of the fuel cell unit. Structure. 単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状を成すセル板と、
中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させた円形状を成すセパレータ板と、
セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置して各々のガス導入孔と連通するガス導入流路及びガス排出孔と連通するガス排出流路を有し、セル板及びセパレータ板間に形成される空間内に燃料ガスの供給及び排出を行う中央流路部品を具備した複数の固体電解質型燃料電池ユニットを各々の中心部分で積層して成り、
互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間を空気の流路として設定すると共に、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路ないしその上流側端部近傍に多孔質体を設け、
ガス導入路に挿通した多孔質体支持手段に多孔質体を支持させ、
積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体を締結部材の周囲に配置してあることを特徴とする燃料電池スタック構造体
A cell plate that holds a single cell and has a circular shape having a gas introduction hole and a gas discharge hole in the center portion;
A separator plate having a circular shape in which a gas introduction hole and a gas discharge hole are formed in the center portion and an outer peripheral edge portion thereof is joined to an outer peripheral edge portion of the cell plate;
A gas introduction passage located between the central portions of the cell plate and the separator plate and communicating with each gas introduction hole and a gas discharge passage communicating with the gas discharge hole are formed between the cell plate and the separator plate. A plurality of solid oxide fuel cell units each provided with a central flow path component for supplying and discharging fuel gas in a space to be stacked at each central portion;
The space between the solid oxide fuel cell units that overlap each other is set as an air flow path, and the gas introduction flow path formed by the gas flow paths of the central flow path component being continuous with each other or in the vicinity of the upstream end thereof. Providing a porous body,
The porous body is supported by the porous body support means inserted through the gas introduction path,
A fuel cell stack structure characterized in that the fastening member of the laminated solid oxide fuel cell unit is a porous body supporting means, and the porous body is disposed around the fastening member .
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